DE60038355T2 - Process for producing ceramic coatings - Google Patents

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Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Wärmebarrierebeschichtungen und abreibbaren Dichtungen, die aus mehreren Schichten bestehen, wobei mindestens eine der Schichten porös ist.These The invention relates to a process for the production of ceramic Thermal barrier coatings and abradable gaskets consisting of several layers, wherein at least one of the layers is porous.

Gasturbinenmaschinen werden in breitem Umfang als Antriebskraft-Quellen und für andere Zwecke wie zur Elektrizitätserzeugung und zum Pumpen von Fluiden verwendet. Hersteller von Gasturbinen sind mit einer dauernden Kundenforderung nach besserer Leistung, gesteigerter Effizienz und verbesserter Lebensdauer konfrontiert. Ein Weg, die Leistungsausbeute und die Leistungsfähigkeit zu verbessern, ist, die Betriebstemperaturen zu erhöhen. Ein Erhöhen der Betriebstemperaturen verringert üblicherweise die Lebensdauer der Maschine und ist nur innerhalb der Grenzen der in der Maschine verwendeten Materialien wirksam.Gas turbine engines are widely used as propulsion sources and for other purposes as for electricity generation and used for pumping fluids. Manufacturer of gas turbines are with a constant customer demand for better performance, increased efficiency and improved service life. One way, the performance and the performance To improve is to increase the operating temperatures. One Increase The operating temperatures usually reduce the service life the machine and is only within the limits of the machine used materials effectively.

Gegenwärtige Gasturbinenmaschinen sind vorwiegend aus metallischen Materialien aufgebaut, wobei in den Bereichen der Maschine höherer Temperatur Superlegierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis in breitem Umfang verwendet werden. Derartige Superlegierungen werden gegenwärtig bei Gastemperaturen, die sehr nahe an, und in manchen Fällen über, dem Schmelzpunkt der Superlegierungen sind, in Maschinen verwendet. Erhöhungen der Maschinen-Betriebstemperatur sind nicht möglich ohne gleichzeitige Schritte, um die Superlegierungen davor zu schützen, diesen hohen Gastemperaturen, bei denen die Materialien ansonsten schmelzen würden, direkt ausgesetzt zu werden. Derartige Schritte umfassen die Bereitstellung von Kühlluft (was den Maschinen-Wirkungsgrad verringert) und die Verwendung isolierender Beschichtungen.Current gas turbine engines are mainly constructed of metallic materials, in the areas of the machine higher Temperature superalloys based on nickel and cobalt in wide Scope be used. Such superalloys are currently being included Gas temperatures very close to, and in some cases over, the Melting point of superalloys are used in machines. increases the machine operating temperature is not possible without simultaneous steps, to protect the superalloys from these high gas temperatures which would otherwise melt the materials directly exposed to become. Such steps include the provision of cooling air (which reduces the machine efficiency) and the use of insulating Coatings.

Isolierende Keramikmaterialien, insbesondere die Bereitstellung dieser Materialien in der Form von Beschichtungen oder Wärmebarrierebeschichtungen, sind der Hauptgegenstand dieser Erfindung. Derartige Beschichtungen bestehen am häufigsten aus Keramik und werden üblicherweise durch Plasmaspritzen oder durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung aufgetragen. Durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung aufgetragene Beschichtungen sind beispielsweise beschrieben in den US-Patenten 4 405 659 ; 4 676 994 und 5 087 477 . Beispielhafte Patente, die die gegenwärtigen Wärmebarrierebeschichtungen des Stands der Technik diskutieren, umfassen die US-Patente Nummern 4 321 311 ; 4 405 660 , 5 262 245 und 5 514 482 .Insulating ceramic materials, particularly the provision of these materials in the form of coatings or thermal barrier coatings, are the main subject of this invention. Such coatings are most commonly ceramic and are commonly applied by plasma spraying or electron beam vapor deposition. Electron-beam vapor deposited coatings are described, for example, in U.S. Pat U.S. Patents 4,405,659 ; 4,676,994 and 5 087 477 , Exemplary patents discussing the current state of the art thermal barrier coatings include US Pat U.S. Patent Nos. 4,321,311 ; 4 405 660 . 5,262,245 and 5 514 482 ,

Die am verbreitetsten verwendete Wärmebarrierebeschichtung zur Auftragung auf sich drehende Bauteile in Turbinenmaschinen weist ein Bindungsauftragsmaterial auf, dessen Zusammensetzung in dem US-Patent Nr. 4 419 416 beschrieben ist, einschließlich einer dünnen Schicht aus Aluminiumoxid auf dem Bindungsauftrag und einer Keramikbeschichtung mit säulenartigem Korn, die an der Aluminiumoxid-Schicht haftet, wie beschrieben in dem US-Patent Nr. 4 405 659 . Trotz des Erfolgs dieser Wärmebarrierebeschichtung und ihrer weit verbreiteten Akzeptanz gibt es einen Wunsch nach weiterentwickelten Wärmebarrierebeschichtungen, wobei die gewünschte Hauptverbesserung verbesserte spezifische Wärmeisolierungseigenschaften, d. h. eine hinsichtlich der Dichte verbesserte thermische Isolierung, ist.The most widely used thermal barrier coating for application to rotating components in turbine engines has a bond coat material whose composition in the U.S. Patent No. 4,419,416 including a thin layer of alumina on the bond coat and a columnar grain ceramic coating adhered to the alumina layer, as described in U.S. Pat U.S. Patent No. 4,405,659 , Despite the success of this thermal barrier coating and its widespread acceptance, there is a desire for more advanced thermal barrier coatings where the desired major improvement is improved specific thermal insulation properties, ie density enhanced thermal insulation.

Wenn eine Beschichtung mit besseren hinsichtlich der Dichte verbesserten Isolierungseigenschaften entwickelt werden könnte, könnte eine derartige Beschichtung entweder bei derselben Dicke wie der jetzt zur Verringerung des Wärmeflusses kommerziell verwendeten verwendet werden, was eine Verringerung an Kühlluft erlauben und einen entsprechenden Anstieg des Maschinen-Wirkungsgrads ermöglichen würde, oder sie könnte bei einer verringerten Dicke verwendet werden, um für denselben Grad an Isolierung und Wärmefluss, aber mit einem verringerten Beschichtungsgewicht, zu sorgen. Derartige Gewichtsverringerungen sind signifikant, insbesondere bei sich drehenden Bauteilen, da das Gewicht der Wärmebarrierebeschichtung während des Maschinenbetriebs zu Zentrifugalkräften von Tausenden von Pounds auf eine einzige Turbinenlaufschaufel in einer großen Flugzeugmaschine führt. Eine Verringerung der Laufschaufel-Zentrifugalkräfte hat positive Auswirkungen auf die Konstruktionserfordernisse von mit der Laufschaufel verbundenen Maschinenbauteilen, insbesondere der Tragscheibe.If improved a coating with better density Insulating properties could be developed, could such a coating either at the same thickness as the one now used to reduce the Heat flow commercial used, which allow a reduction in cooling air and allow a corresponding increase in engine efficiency would, or she could be used at a reduced thickness to the same degree insulation and heat flow, but with a reduced coating weight. such Weight reductions are significant, especially with rotating ones Components, as the weight of the thermal barrier coating while of machine operation to centrifugal forces of thousands of pounds on a single turbine blade in a large aircraft engine leads. A reduction in blade centrifugal forces has a positive effect on the design requirements associated with the blade Machine components, in particular the support disk.

Die Gasturbineneffizienz kann auch durch Verringern von Gaslecks verbessert werden. Insbesondere muss der freie Raum zwischen den Enden der sich drehenden Laufschaufel und dem umgebenden Gehäusekonstrukt minimiert werden. Dies wird üblicherweise durch Vorsehen eines abreibbaren Dichtungsmaterials auf dem Gehäuse bewirkt. Im Betrieb schneiden die Laufschaufelenden einen Kanal in das abreibbare Material, was das Lecken von Gas verringert. Siehe z. B. die US-Patente Nr. 4 039 296 und Nr. 5 536 022 .Gas turbine efficiency can also be improved by reducing gas leaks. In particular, the free space between the ends of the rotating blade and the surrounding housing structure must be minimized. This is usually accomplished by providing an abradable sealing material on the housing. In operation, the blade ends cut a channel into the abradable material, which reduces the leakage of gas. See, for example, B. the U.S. Patents No. 4,039,296 and no. 5 536 022 ,

EP-A-0916635 und US-A-5 350 599 betreffen ein Verfahren, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist. EP-A-0916635 and US-A-5,350,599 relate to a method as indicated in the preamble of claim 1.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, bereit.The The present invention provides a method as claimed in claim 1 is ready, ready.

Die vorliegende Erfindung umfasst daher ein Verfahren zum Auftragen einer geschichteten Keramikmaterial-Beschichtung. Unterschiedliche Schichten in der Struktur haben unterschiedliche Mikrostrukturen, wobei mindestens eine der Schichten relativ dicht ist und weniger Fehler enthält, und eine andere der Schichten weniger dicht ist und mehr Fehler enthält. Die Struktur der weniger dichten Schicht kann durch eine Wärmebehandlung modifiziert werden, um Porosität zu schaffen. Porosität schafft eine verringerte Wärmeleitfähigkeit, und für Dichtungsanwendungen schafft die Porosität auch eine verbesserte Abreibbarkeit bzw. Abschleifbarkeit. Die Schichten werden bevorzugt durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung abgeschieden. Die Schichten werden unter Bedingungen aufgetragen, die die vorher erwähnten Unterschiede in Dichte und Porosität zwischen abwechselnden Schichten erzeugen, indem die Temperatur des Substrats und des Materials, wie abgeschieden, gewechselt wird.The present invention therefore includes a method of applying a layered ceramic material coating. Different layers in the structure have different micro structures, wherein at least one of the layers is relatively dense and contains fewer defects, and another of the layers is less dense and contains more defects. The structure of the less dense layer can be modified by a heat treatment to provide porosity. Porosity provides reduced thermal conductivity, and for seal applications, porosity also provides improved abradability. The layers are preferably deposited by electron beam physical vapor deposition. The layers are applied under conditions that produce the aforementioned differences in density and porosity between alternating layers by changing the temperature of the substrate and the material as deposited.

Die relativ dichten Schichten werden durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung unter Bedingungen, die zur Abscheidung von dem führen, was jene mit Kenntnissen auf dem Gebiet der physikalischen Dampfabscheidung als Zone II-Strukturen bezeichnen, aufgetragen. Die weniger dichten Schichten (d. h. die Schichten, die porös werden) werden ebenfalls durch EBPVD und unter Bedingungen aufgetragen, die zu Mikrostrukturen führen, die Fachleute auf dem Gebiet der physikalischen Dampfabscheidung als Zone I-Strukturen bezeichnen. Der Begriff Zone I, wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine Schicht, die entweder eine Zone (I-Struktur, wie abgeschieden, oder eine Zone I-Struktur, wie abgeschieden, die zur Erhöhung der Porosität wärmebehandelt wurde, hat.The relatively dense layers are formed by electron beam vapor deposition under conditions that lead to the separation of what those with knowledge in the field of physical vapor deposition as Zone II structures denote, applied. The less dense layers (i.e. Layers that are porous are also applied by EBPVD and under conditions that lead to microstructures, the experts in the field of physical vapor deposition denote zone I structures. The term zone I, as used herein a layer that is either a zone (I-structure, as deposited, or a zone I structure, such as deposited, to increase the porosity heat treated was, has.

Die sich ergebende Struktur kann wärmebehandelt werden, um die Porosität durch Sintern zu verbessern, was die Porengröße erhöht und die Keramikbereiche, die die Poren umgeben, verdichtet.The The resulting structure can be heat treated be to the porosity by sintering, which increases the pore size and the ceramic regions, which surround the pores, compacted.

Die Beschichtung der Erfindung findet insbesondere Anwendung auf dem Gebiet der Gasturbinenbauteile. Derartige Bauteile umfassen Turbinen-Strömungsprofile (Laufschaufeln und Leitschaufeln) und abreibbare Dichtungen, die dazu gedacht sind, mit Laufschaufelenden oder Schneidendichtungen zu Wechselwirken, um einen unerwünschten Gasfluss zu verringern.The Coating of the invention finds particular application to the Field of gas turbine components. Such components include turbine airfoils (Blades and vanes) and Abreibbare seals that are meant to be, with blade ends or cutting gaskets to interact to an undesirable gas flow to reduce.

Nun werden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen detaillierter, lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:Now certain preferred embodiments in more detail, by way of example only and with reference to FIGS accompanying drawings, in which:

1 die Struktur von durch EB-PVD abgeschiedenen Beschichtungen als eine Funktion der Substrat-Oberflächentemperatur zeigt; 1 shows the structure of EB-PVD deposited coatings as a function of substrate surface temperature;

2 die Mikrostruktur einer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgetragenen Beschichtung, wie abgeschieden, zeigt; 2 Figure 3 shows the microstructure of a coating applied as deposited in accordance with a preferred embodiment of the invention;

3 die Mikrostruktur einer anderen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgetragenen Beschichtung, nach einer Wärmebehandlung, zeigt; und 3 shows the microstructure of another coating applied after a heat treatment according to a preferred embodiment of the invention; and

4 die Wärmeleitfähigkeit einer beispielhaften Beschichtung der Erfindung und einer entsprechenden Beschichtung, der die geschichtete Porosität, die von der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, fehlt, zeigt. 4 the thermal conductivity of an exemplary coating of the invention and a corresponding coating that lacks the layered porosity provided by the present invention.

Die physikalische Dampfabscheidung von Keramiken, einschließlich Elektronenstrahl- und Sputter-Techniken, wurde umfassend studiert. Eine Arbeit, die 1969 von B.A. Movchan und A.B. Demchishin in the Journal Physics of Metallurgy and Metallography (USSR), Vol. 28, S. 83, publiziert wurde, mit dem Titel "Study of the Structure and Properties of Thick Vacuum Condensates of Nickel, Titanium, Tungsten, Aluminum Oxide, and Zirconium Oxide" analysiert die Dampfabscheidung von Materialien unter verschiedenen Bedingungen. Diese Autoren waren die ersten, die die Struktur von durch physikalische Elektronenstrahl-Dampfab scheidung abgeschiedenen Beschichtungen als eine Funktion der Substrat-Oberflächentemperatur charakterisierten. 1 der Arbeit ist hierin als 1 wiedergegeben. 1974 veröffentliche Thornton eine ähnliche Arbeit betreffend die Sputterabscheidung, J.Vac. Science Technology 11: 666.70 (1974), mit ähnlichen Schlussfolgerungen.Physical vapor deposition of ceramics, including electron beam and sputtering techniques, has been extensively studied. A work published in 1969 by BA Movchan and AB Demchishin in the Journal of Physics of Metallurgy and Metallography (USSR), Vol. 28, p. 83, entitled "Study of the Structure and Properties of Thick Vacuum Condensates of Nickel , Titanium, Tungsten, Aluminum Oxide, and Zirconium Oxide "analyzes the vapor deposition of materials under various conditions. These authors were the first to characterize the structure of electron beam vapor deposited coatings as a function of substrate surface temperature. 1 the work is referred to herein as 1 played. In 1974, Thornton published a similar work on sputter deposition, J.Vac. Science Technology 11: 666.70 (1974), with similar conclusions.

1 zeigt die drei Zonen, die in durch physikalische Dampfabscheidung abgeschiedenen bzw. physikalisch dampfabgeschiedenen Beschichtungen als eine Funktion der Substrat-Oberflächentemperatur während der Abscheidung auftreten. Zone I ist eine Beschichtung niedriger Dichte mit einem großen Fehlergehalt, die Mikroporen, Mikrolücken, Versetzungen, Leerstellen und dergleichen enthalten kann. Zone II ist eine dichtere säulenartige Kornstruktur in jeder Säule, und ist ein einziges Korn. Zone III ist eine noch dichtere, im Wesentlichen vollständig dichte Beschichtung, die aus gleichachsigen rekristallisierten Körnern zusammengesetzt ist. Man glaubt, wenn es auch nicht völlig verstanden wird, dass sich die Veränderung des Abscheidungscharakters, der tatsächlich mit steigender Substrattemperatur an Dichte zunimmt, aus der erhöhten Beweglichkeit von dampfabgeschiedenen Atomen nach ihrem Auftreffen auf die Substratoberfläche ergibt. 1 Figure 3 shows the three zones that occur in physical vapor deposited or physically vapor deposited coatings as a function of substrate surface temperature during deposition. Zone I is a low density coating with a high defect content, which may contain micropores, micro voids, dislocations, voids and the like. Zone II is a denser columnar grain structure in each column, and is a single grain. Zone III is an even denser, substantially completely dense coating composed of equiaxed recrystallized grains. It is believed, although not fully understood, that the change in deposition characteristic that actually increases with increasing substrate temperature density results from the increased mobility of vapor deposited atoms after their impact on the substrate surface.

Für Keramiken bestimmten Movchan et al., dass die Grenze zwischen Zone I und Zone II typischerweise bei einer homologen Temperatur (homologe Temperatur bezieht sich auf den Bruchteil der absoluten Schmelztemperatur des Materials) von zwischen 0,22 und 0,26 auftrat, und die Grenze zwischen Zone II und III typischerweise bei einer homologen Temperatur von zwischen etwa 0,45 und 0,5 auftrat.For ceramics, Movchan et al. Determined that the boundary between Zone I and Zone II typically occurred at a homologous temperature (homologous temperature refers to the fraction of the absolute melting temperature of the material) of between 0.22 and 0.26, and the limit between zones II and III typically at a homologous temperature of between about 0.45 and 0.5 occurred.

Es ist ersichtlich, dass eine einzige keramische Zusammensetzung so abgeschieden werden kann, dass sie drei unterschiedliche Strukturen hat, indem man die Temperatur der Substratoberfläche, auf der die Beschichtung abgeschieden wird, kontrolliert. Da die Mikrostruktur der abgeschiedenen Beschichtung eine Funktion der Substrattemperatur ist, kann man auch sehen, dass unterschiedliche Keramikmaterialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und daher unterschiedlichen homologen Temperaturen auf einem Substrat bei konstanter Oberflächentemperatur abgeschieden werde könnten und unterschiedliche Zonenstrukturen aufweisen könnten.It It can be seen that a single ceramic composition so It can be separated that they have three different structures has, by looking at the temperature of the substrate surface on which the coating is deposited, controlled. Because the microstructure of the deposited Coating is a function of the substrate temperature, you can also see that different ceramic materials with different Melting points and therefore different homologous temperatures deposited on a substrate at constant surface temperature could become and could have different zone structures.

Die Substrat-Oberflächentemperatur bezieht sich auf die Temperatur an der Oberfläche, auf der die Beschichtung abgeschieden wird, diese Temperatur unterscheidet sich oft von der Temperatur der Substrat-Hauptmasse und wird durch Strahlungsenergiefluss und die Energiezufuhr in die Oberfläche durch Beschichtungsmaterial, das auf die Oberfläche auftrifft, beeinflusst und kann durch die Verwendung von externen Heizeinrichtungen gesteigert werden. Höhere Substrat-Oberflächentemperaturen erlauben eine seitliche Diffusion von abgeschiedenen Atomen, was zu Abscheidungen höherer Dichte führt.The Substrate surface temperature refers to the temperature at the surface on which the coating is separated, this temperature is often different from the Temperature of the substrate bulk and is due to radiant energy flow and the energy input into the surface by coating material, that hits the surface, influenced and can by the use of external heating devices be increased. higher Substrate surface temperatures allow lateral diffusion of deposited atoms, what to higher deposits Density leads.

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Abscheidung mindestens einer Schicht mit einer Zone I-Struktur und mindestens einer Schicht mit einer Zone II- oder Zone III-Struktur. Der Abscheidung kann eine geeignete Wärmebehandlung folgen. Eine Richtlinie für eine geeignete Wärmebehandlungstemperatur ist eine Temperatur über etwa 0,5 bis 0,8 der homologen Temperatur der Schichtzusammensetzung, um die Porosität zu schaffen. Bevorzugt befindet sich eine Schicht der Zone I-Struktur zwischen benachbarten Schichten von Zone II-Struktur. Die Zone I-Struktur, die weniger dicht ist, hemmt den Wärmefluss und sorgt daher für eine thermische Isolierung. Die weniger dichte Struktur ist auch abreibbarer für Dichtungsanwendungen. Die Schicht mit der relativ dichteren Zone II-Struktur sorgt für mechanische Festigkeit. Die Schichtdicke kann variieren, beispielsweise zwischen 0,05 und 5000 μm, und bevorzugt zwischen 0,1 und 1000 μm. Die Gesamtbeschichtungsdicke kann, beispielsweise, im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 1 mm für Wärmebarrierebeschichtungen und bis zu etwa 5 mm für abreibbare Beschichtungen liegen.Of the The core of the present invention is a method for deposition at least one layer with a zone I structure and at least a layer with a zone II or zone III structure. The deposition can be a suitable heat treatment consequences. A guideline for a suitable heat treatment temperature is a temperature above about 0.5 to 0.8 of the homologous temperature of the layer composition, about the porosity to accomplish. Preferably, there is a layer of the zone I structure between adjacent layers of Zone II structure. The zone I structure, the less dense is, inhibits the heat flow and therefore provides for a thermal insulation. The less dense structure is also abradable for sealing applications. The Layer with the relatively denser Zone II structure ensures mechanical Strength. The layer thickness can vary, for example between 0.05 and 5000 μm, and preferably between 0.1 and 1000 μm. The total coating thickness For example, it can range from about 10 μm to about 1 mm for thermal barrier coatings and up to about 5 mm for abradable coatings lie.

Wie bei der oben erwähnten Anwendung diskutiert, können praktische Anwendungen der Erfindung viele abwechselnde Schichten von Materialien, z. B. mehr als 10 Schichten und sogar mehr als 100 Schichten, enthalten. Praktische Anwendungen der Erfindung setzen bevorzugt auch Wärmebehandlungen nach der Abscheidung der geschichteten Beschichtung ein, um ein Sintern der Zone I-Struktur und die Bildung größerer, angehäufter Poren oder Porosität zu veranlassen. Eine derartige Poren-Anhäufung verbessert die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung durch Verdichten der Keramik in Bereichen zwischen den Poren. Die durchschnittliche Porengröße überschreitet 0,01 und bevorzugt 0,1 μm. Die sich ergebenden Poren haben eine gerundete Gestalt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass für eine Pore des durchschnittlichen Durchmessers "D" (gemessen an mehreren Durchmessern) der kleinste Radius der Porenwand größer als 0,1 D, und bevorzugt größer als 0,3 D, ist.As at the above mentioned Application discussed practical applications of the invention many alternating layers of materials, e.g. Eg more than 10 layers and even more than 100 layers, included. Put practical applications of the invention also prefers heat treatments after depositing the layered coating, insert one Sintering of the Zone I structure and the formation of larger, accumulated pores or porosity to induce. Such a pore accumulation improves the mechanical Properties of the coating by compacting the ceramic in areas between the pores. The average pore size exceeds 0.01 and preferably 0.1 microns. The resulting pores have a rounded shape through them that is characterized for a Pore of average diameter "D" (measured at several diameters) the smallest radius of the pore wall is greater than 0.1 D, and preferably greater than 0.3 D, is.

Üblicherweise wird ein Bindungsauftrag (oder zumindest eine Aluminiumoxid-Schicht) zwischen dem Substrat und der Beschichtung mit geschichteter Porosität der Erfindung angebracht. Bevorzugte Bindungsaufträge umfassen jene Beschichtungen, die als MCrAlY-Beschichtungen und Aluminid-Beschichtungen bekannt sind. Beide Typen von Beschichtungen bilden dichte, anhaftende Aluminiumoxid-Schichten von vernünftiger Reinheit, und es ist diese Aluminiumoxid-Schicht, an der die erfindungsgemäße Beschichtung haftet.Usually is a bonding order (or at least an alumina layer) between the substrate and the coated porosity coating of the invention appropriate. Preferred binding jobs include those coatings, known as MCrAlY coatings and aluminide coatings are. Both types of coatings form dense, adherent alumina layers of more reasonable Purity, and it is this alumina layer to which the coating of the invention liable.

Das Konzept dieser Erfindung kann durch Betrachtung des folgenden Beispiels, das veranschaulichend, nicht beschränkend, gemeint ist, besser verstanden werden.The Concept of this invention can be appreciated by considering the following example, that is illustrative, not limiting, better be understood.

Beispielexample

Ein Substrat aus Einkristall-Superlegierung mit einer nominellen Zusammensetzung von 5% Cr, 10% Co, 1,9% Mo, 5,9% W, 3% R, 8,7% Ta, 5,65% Al, 0,1% Hf, Rest Ni, wurde bereitgestellt. Die Oberfläche des Substrats wurde durch Abstrahlen mit Aluminiumoxid gereinigt, und es wurde eine dünne Bindungsauftragsschicht vom MCrAlY-Typ mit einer nominellen Dicke von etwa 125 μm (0,005 inch) und einer nominellen Zusammensetzung von etwa 22% Co, 17% Cr, 12,5% Al, 0,25% Hf, 0,4% Si, 0,6% Y, Rest Ni, aufgetragen. Der Bindungsauftrag wurde durch konventionelle Plasmaspritztechniken abgeschieden. Die Bindungsauftrag-Oberfläche wurde dann mit Glasperlen gehämmert, um ihre Dichte zu steigern. Dann wurde ein Wärmebehandlungsschritt durchgeführt, um eine thermisch gewachsene Oxidschicht (vorherrschend Aluminiumoxid) zu entwickeln. Die Behandlung wurde 15 Minuten lang bei 816°C (1500°F) bei einem Sauerstoffstrom von 70 Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) bei einem Druck von etwa 3,3 mPa (10–4 torr) durchgeführt. Es ist minimales Experimentieren erforderlich, um die gewünschte Oxid-Dicke zu entwickeln.A single crystal superalloy substrate having a nominal composition of 5% Cr, 10% Co, 1.9% Mo, 5.9% W, 3% R, 8.7% Ta, 5.65% Al, 0.1 % Hf, balance Ni was provided. The surface of the substrate was cleaned by blasting with alumina to form a thin MCrAlY-type bond coat layer having a nominal thickness of about 125 μm (0.005 inches) and a nominal composition of about 22% Co, 17% Cr, 12.5 % Al, 0.25% Hf, 0.4% Si, 0.6% Y, balance Ni. The binding deposit was deposited by conventional plasma spraying techniques. The bond coat surface was then hammered with glass beads to increase their density. Then, a heat treatment step was performed to develop a thermally grown oxide layer (predominantly alumina). The treatment was carried out at 816 ° C (1500 ° F) for 15 minutes at an oxygen flow of 70 standard cubic centimeters per minute (sccm) at a pressure of about 3.3 mPa (10 -4 torr). Minimal experimentation is required to develop the desired oxide thickness.

Dann wurde auf die Bindungsauftrag-Oberfläche eine geschichtete Beschichtung aufgetragen, die aus abwechselnden Schichten aus Yttriumoxid-stabilisiertem Cerdioxid (12 Gew.-% Yttriumoxid), abwechselnd zwischen weniger dichten und dichteren Schichten, zusammengesetzt war. Die Beschichtungsdicken waren etwa 0,25 μm pro Schicht. Mehrere Paare von Beschichtungsschichten wurden aufgetragen. Siehe z. B. 2.Then a layered coating was applied to the bond coat surface, composed of alternating layers of yttria-stabilized ceria (12 wt.% yttria) alternately between less dense and denser layers. The coating thicknesses were about 0.25 μm per layer. Several pairs of coating layers were applied. See, for example, B. 2 ,

Diese Beschichtungsschichten wurden unter Verwendung eines Elektronenstrahls zur Verdampfung der Keramikmaterialien aufgetragen. Das Quellenmaterial wurde mittels eines Elektronenstrahls, der bei etwa 10 kV und einem Strom von etwa 0,4 A für eine Verdampfungsleistung von etwa 4 kW arbeitete, verdampft. Der Abstand von dem Substrat zu der Keramikquelle war etwa 76 mm (3 inch). Das Substrat wurde während der Abscheiung gedreht.These Coating layers were made using an electron beam applied to the evaporation of the ceramic materials. The source material was by means of an electron beam at about 10 kV and a Current of about 0.4 A for an evaporation power of about 4 kW worked, evaporated. Of the Distance from the substrate to the ceramic source was about 76 mm (3 inch). The substrate was during turned to the Abscheiung.

Der Strahl verweilte kontinuierlich auf der Quelle, wobei eine wärmehemmende Metallabschirmung wiederholt für Intervalle von 16 Sekunden zwischen der Quelle und dem Substrat angebracht wurde, und dann gefolgt von einer Entfernung für Intervalle von 8 Sekunden. Die Abschirmung bestand aus rostfreiem Stahl und enthielt Öffnungen von etwa 4 mm. Die Beschichtungen wurden bei einem verringertem Druck von etwa 532 × 10–6 Pa (4 × 10–6 torr) aufgetragen, und Sauerstoff wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 sccm in den Raum geströmt, um die Beschichtungs-Stöchiometrie sicherzustellen.The beam lingered continuously on the source, with a metal thermal barrier shield applied repeatedly for 16 second intervals between the source and the substrate, and then followed by a gap for 8 second intervals. The shield was made of stainless steel and contained openings of about 4 mm. The coatings were applied at a reduced pressure of about 532 x 10 -6 Pa (4 x 10 -6 torr) and oxygen was flowed into the room at a rate of about 70 sccm to ensure coating stoichiometry.

Die Wärmestrahlung von dem verdampfenden Zielmaterial war die Hauptquelle für das Erhitzen der Substratoberfläche (über die Temperatur der Substrat-Hauptmasse) während des Beschichtungsprozesses durch physikalische Elektronenstrahl-Verdampfung. Die Substratoberfläche wurde in Abwesenheit der zwischen der Quelle und dem Substrat angebrachten Abschirmung in einem größeren Ausmaß erhitzt, und in einem geringeren Ausmaß, wenn die Abschirmung zwischen der Quelle und dem Substrat angebracht war, um den Wärmefluss von der Quelle zu dem Substrat zu verringern. Dieser Prozess führte zu abwechselnden Yttriumoxid-Cerdioxid-Schichten mit einer dichteren Zone II-Struktur und Schichten mit einer weniger dichten Zone I-Struktur, die Mikrolücken und Mikroporosität enthielt. Siehe z. B. 2. Die geschätzte Porosität des Zone-II-Yttriumoxid-Cerdioxid, wie abgeschieden, war relativ gering, z. B. einige wenige Prozent, und die Porosität war wesentlich höher (eine Porosität von etwa 50%) in dem Zone I-Yttriumoxid-Cerdioxid.The thermal radiation from the target evaporating material was the major source of heating of the substrate surface (above the temperature of the bulk substrate) during the electron beam physical vapor deposition process. The substrate surface was heated to a greater extent in the absence of the shield attached between the source and the substrate, and to a lesser extent when the shield was mounted between the source and the substrate to reduce heat flow from the source to the substrate. This process resulted in alternating yttria-ceria layers having a denser Zone II structure and layers having a less dense Zone I structure containing micro-voids and microporosity. See, for example, B. 2 , The estimated porosity of the zone II yttria ceria, as deposited, was relatively low, e.g. A few percent, and the porosity was significantly higher (a porosity of about 50%) in the zone I-yttria-ceria.

Die Yttriumoxid-Cerdioxid-Zusammensetzung hat einen relativ hohen Dampfdruck und verdampft leicht bei einer viel niedrigeren Temperatur, offensichtlich durch Sublimation, und bildet daher kein heißes geschmolzenes Schmelzbad wie das während der echten Verdampfung gebildete. Materialien wie Yttriumoxid-Cerdioxid, die einen relativ hohen Dampfdruck haben, liefern während der Verdampfung weniger Wärme als andere Materialien, wie Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, und erwärmen daher das Substrat in einem geringeren Ausmaß. In diesen Fällen kann es wünschenswert sein, externe Heizeinrichtungen zu verwenden, um die Substrat-Temperatur zu erhöhen. In diesem Fall würde die Abschirmung zwischen der Quelle und dem Substrat, zwischen der externen Heizeinrichtung und dem Substrat, oder beiden, angebracht werden.The Yttria-ceria composition has a relatively high vapor pressure and evaporates easily at a much lower temperature, obviously by sublimation, and therefore does not form a hot molten pool like that while the real evaporation formed. Materials such as yttria-ceria, which have a relatively high vapor pressure, deliver during the Evaporation less heat as other materials, such as yttria-stabilized zirconia, and warm up therefore, the substrate to a lesser extent. In these cases can it would be desirable use external heaters to increase the substrate temperature to increase. In that case, would the shield between the source and the substrate, between the external heater and the substrate, or both become.

Insgesamt war die Substratoberfläche, die beschichtet wurde, während der Abscheidung von Yttriumoxid-Cerdioxid bei Abwesenheit der Abschirmung bei einer relativ hohen Temperatur, und der Dampf kondensierte als eine Struktur vom Zone II-Typ. Die Substratoberfläche war jedoch während der Abscheidung von Yttriumoxid-Cerdioxid, bei zwischen der Quelle (und irgendeiner externen Heizeinrichtung) und dem Substrat angebrachter Abschirmung, und bei der begrenzten Erwärmung, bei einer relativ niedrigen Temperatur, und die zugehörige Dampfwolke kondensierte als eine Struktur vom Zone I-Typ.All in all was the substrate surface, which has been coated while the deposition of yttria-ceria in the absence of the shield at a relatively high temperature, and the vapor condensed as a structure of Zone II type. The substrate surface was however during the Deposition of yttria-ceria, at between the source (and any external heater) and the substrate Shielding, and limited heating, at a relatively low Temperature, and the associated vapor cloud condensed as a zone I type structure.

In dem Fall von Yttriumoxid-Cerdioxid oder einem anderen Material, das nicht gut an einem Bindungsauftrag oder einer Aluminiumoxidschicht haften mag, wenn es bei niedrigeren Temperaturen abgeschieden wird (ein anderer Grund, der für die Verwendung einer obigen externen Heizeinrichtung spricht), kann es wünschenswert sein, eine Schicht aus einem keramischen Bindungsauftragmaterial, wie Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid, als eine Anfangsschicht oder keramischen "Bindungsauftrag" zu verwenden. Ein derartiger keramischer Bindungsauftrag ist in EP-A-0 972 853 beschrieben. Die Schicht sollte dick genug sein, um eine vollständige Bedeckung der zu beschichtenden Oberfläche sicherzustellen, bis hin zu beispielsweise etwa 12,7 μm (0,5 mil), aber nicht dicker als notwendig, um eine durchgehende Schicht sicherzustellen, insbesondere wenn Gewicht ein Thema ist, beispielsweise wenn die Beschichtung auf rotierende Bauteile aufgetragen werden soll.In the case of yttria-ceria or other material that may not adhere well to a bond coat or alumina layer when deposited at lower temperatures (another reason for using an external heater above), it may be desirable be to use a layer of a ceramic bond coat material, such as yttria-stabilized zirconia, as an initial layer or ceramic "bond coat". Such a ceramic bonding order is in EP-A-0 972 853 described. The layer should be thick enough to ensure complete coverage of the surface to be coated up to, for example, about 12.7 μm (0.5 mil) but not thicker than necessary to ensure a continuous layer, especially when weight is an issue is, for example, when the coating is to be applied to rotating components.

Andere Proben wurden hergestellt unter Verwendung von Gadoliniumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid. Die Proben enthielten etwa 33 mol. % Gadoliniumoxid, Rest 7YSZ als das stabilisierte Zirkoniumdioxid, und wurden in einer ähnlichen Weise wie der oben beschriebenen abgeschieden. Die Beschichtung wie abgeschieden wurde dann etwa 24 Stunden lang bei etwa 1205°C (2200°F) wärmebehandelt. Die sich ergebende geschichtete Porosität ist in dem bei 10 angegebenen Bereich von 3 veranschaulicht.Other samples were prepared using gadolinia stabilized zirconia. The samples contained about 33 moles. % Gadolinia, balance 7YSZ as the stabilized zirconia, and were deposited in a similar manner to that described above. The coating, as deposited, was then heat treated at about 1205 ° C (2200 ° F) for about 24 hours. The resulting layered porosity is in the range of 10 indicated by 3 illustrated.

4 ist eine graphische Darstellung der Wärmeleitfähigkeits-Beschichtung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie hinsichtlich 2 beschrieben, und einer entsprechenden Beschichtung mit nicht geschichteter Porosität. Es ist zu sehen, dass über einen breiten Bereich von Temperaturen die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung der Erfindung wesentlich geringer ist als diejenige der Beschichtung des Stands der Technik. Über den untersuchten Temperaturbereich zeigt die Beschichtung der vorliegenden Erfindung eine Wärmeleitfähigkeit, die signifikant geringer ist als diejenige der Beschichtung des Stands der Technik. Dies stellt eine signifikante Verbesserung der Isolierungsfähigkeit dar. 4 FIG. 12 is a graphical representation of the thermal conductivity coating of a preferred embodiment of the present invention as described. FIG 2 described, and a corresponding coating with non-layered porosity. It can be seen that over a wide range of temperatures the thermal conductivity of the coating of the invention is substantially lower than that of the prior art coating. Over the temperature range examined, the coating of the present invention exhibits a thermal conductivity significantly lower than that of the prior art coating. This represents a significant improvement in insulation ability.

Die vorherigen Beispiele veranschaulichen die Erfindung unter Verwendung einer Zusammensetzung aus Keramikmaterial. Es gibt natürlich viele Zusammensetzungen und Kombinationen von Keramikmaterialien, die abgeschieden werden können. Einige Variationen und alternative Details werden unten beschrieben.The previous examples illustrate the invention using a composition of ceramic material. There are of course many compositions and combinations of ceramic materials that are deposited can. Some Variations and alternative details are described below.

Substratsubstratum

In breitester Weise kann das Substrat irgendein Hochtemperaturmaterial wie, beispielsweise, Keramiken, Kohlenstoff, Kohlenstoff-Verbundmaterialien und dergleichen, sowie Superlegierungen aufweisen. Für die Zwecke gegenwärtiger Gasturbinenmaschinen sind Superlegierungen am brauchbarsten. Superlegierungen sind metallische Materialien auf der Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt mit Dehngrenzen bei 538°C (1000°F) über 345 MPa (50 ksi), und typischer über 690 MPa (100 ksi).In most widely, the substrate may be any high temperature material such as, ceramics, carbon, carbon composites and the like, as well as superalloys. For the purpose current Gas turbine engines are superalloys most useful. superalloys are metallic materials based on iron, nickel or Cobalt with yield strengths at 538 ° C (1000 ° F) over 345 MPa (50 ksi), and more typically about 690 MPa (100 ksi).

Wie unten diskutiert, sind Bindungsaufträge oft erwünscht, um eine Anhaftung der Beschichtung an dem Substrat sicherzustellen, unter einigen Bedingungen jedoch mag es für manche Superlegierungen keinen Bedarf an einem Bindungsauf trag geben. Superlegierungen, die ohne Verwendung einer Bindung beschichtet werden können, können inhärent, wenn sie bei erhöhten Temperaturen oxidierenden Bedingungen ausgesetzt werden, auf ihren Außenoberflächen eine Schicht aus hoch reinem Aluminium entwickeln. Eine beispielhafte Superlegierung, die keinen Bindungsauftrag erfordert, ist in dem US-Patent Nr. 5 262 245 beschrieben.Bonding applications, as discussed below, are often desirable to ensure adhesion of the coating to the substrate, but under some conditions, there may be no need for a bond application for some superalloys. Superalloys that can be coated without the use of a bond can inherently, when exposed to oxidizing conditions at elevated temperatures, develop a layer of high purity aluminum on their exterior surfaces. An exemplary superalloy that does not require bonding is in the US patent application Ser U.S. Patent No. 5,262,245 described.

Wenn die Beschichtung der Erfindung auf ein Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid, aufzutragen wäre, gäbe es im Allgemeinen keinen Bedarf an einem Bindungsauftrag.If the coating of the invention on a ceramic material, for example Alumina, to apply, there would be generally no need for a binding job.

Bindungsauftragbinding contract

Für gewöhnlich ist ein Bindungsauftrag ein Teil des Beschichtungssystems der Erfindung. Das Erfordernis eines Bindungsauftrags hängt ab von dem Substrat und von den Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Wärmebarrierebeschichtung, der Betriebstemperatur, der erwünschten Lebensdauer und anderen Umgebungsfaktoren einschließlich zyklischer Wärmebeanspruchung und der Umgebungs-Gaszusammensetzung. Die wesentlichen gemeinsamen Merkmale, die bei einem brauchbaren Bindungsauftrag erforderlich sind, sind, dass er an dem Substrat haftet, thermisch und diffusionsmäßig stabil ist, und eine stabile Aluminiumoxid-Schicht bildet, die in der Betriebsumgebung an der abzuscheidenden Keramikschicht haftet.Usually is a bond coat part of the coating system of the invention. The requirement of a bond coat depends on the substrate and from the requirements of the performance of the thermal barrier coating, the Operating temperature, the desired Lifetime and other environmental factors including cyclic thermal stress and the ambient gas composition. The essential common Features required for a usable binding job are, that it adheres to the substrate, thermally and diffusion moderately stable is, and forms a stable alumina layer in the operating environment adheres to the deposited ceramic layer.

Es gibt eine Vielfalt von Bindungsaufträgen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Dazu gehören Auflagebeschichtungen und Aluminid-Beschichtungen. Typische Auflagebeschichtungen sind in den US-Patenten Nr. 3 928 026 und Nr. 4 419 416 beschrieben, und sind Abwandlungen von Superlegierungen auf Nickel- und Kobalt-Basis, die optimiert wurden, um, wenn sie bei erhöhten Temperaturen oxidierenden Bedingungen ausgesetzt werden, anhaftende, dauerhafte Schichten aus Aluminiumoxid hoher Reinheit zu entwickeln. Auflagebeschichtungen werden auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen, und typisch dafür sind die Beschichtungen vom MCrAlY-Typ, die die folgende allgemeine, nicht beschränkende Zusammensetzung (in Gewichtsprozent) haben: Cr 10–30, Al 5–15, Y (Y + Hf + La + Ce + Sc) 0,01, Si + Ta + Pt + Pd + Re + Rh + Os 0–5%, Rest M (Fe, Ni, Co und Kombinationen). Auflagebeschichtungen können bei spielsweise durch Plasmaspritzen, durch EB-PVD und durch Elektroplattieren aufgetragen werden.There are a variety of binding jobs that can be used in the present invention. These include overlay coatings and aluminide coatings. Typical overlay coatings are in the U.S. Patent No. 3,928,026 and no. 4 419 416 and are modifications of nickel- and cobalt-based superalloys that have been optimized to develop adherent, high-purity, high-purity alumina layers when exposed to oxidizing conditions at elevated temperatures. Pad coatings are applied to the surface of the substrate, and typical of them are the MCrAlY-type coatings, which have the following general non-limiting composition (in weight percent): Cr 10-30, Al 5-15, Y (Y + Hf + La + Ce + Sc) 0.01, Si + Ta + Pt + Pd + Re + Rh + Os 0-5%, balance M (Fe, Ni, Co and combinations). Pad coatings can be applied by, for example, plasma spraying, EB-PVD and electroplating.

Aluminid-Beschichtungen werden durch Eindiffundieren von Aluminium in das Substrat hergestellt und sind, beispielsweise, in dem US-Patent Nr. 5 514 482 beschrieben. Der Begriff Aluminid-Beschichtung, wie er hierin verwendet wird, umfasst Aluminid-Beschichtungen, die durch Zusätze von Pt, Rh, Os, Pd, Ta, Re, Hf, Si, Cr und Gemischen davon modifiziert sind.Aluminide coatings are made by diffusing aluminum into the substrate and are, for example, in the U.S. Patent No. 5,514,482 described. The term aluminide coating as used herein includes aluminide coatings modified by additions of Pt, Rh, Os, Pd, Ta, Re, Hf, Si, Cr, and mixtures thereof.

Es ist auch bekannt, Kombinationen von Auflage- und Aluminid-Beschichtungen aufzutragen, beispielsweise kann eine Aluminid-Beschichtung eine über dem Aluminid aufgetragene Auflagebeschichtung haben und umgekehrt.It is also known combinations of overlay and aluminide coatings For example, an aluminide coating may be one above the Aluminide applied bearing coating and vice versa.

Aluminiumoxid-SchichtAlumina layer

Eine Aluminiumoxid-Schicht, ob unmittelbar auf dem Substrat oder auf einem Bindungsauftrag ausgebildet, ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Für gewöhnlich wird die Aluminiumoxid-Schicht thermisch wachsen gelassen, aber es ist bekannt, Sputtern zu verwenden, um diese Schicht zu entwickeln. Die breite Dicke der Aluminiumoxid-Schicht ist etwa 0,01 bis 2 μm, bevorzugt etwa 0,1–0,7 μm.An alumina layer, whether formed directly on the substrate or on a bond coat, is an important feature of the invention. Usually, the alumina layer is allowed to grow thermally, but it is known to use sputtering to develop this layer. The broad thickness of the alumina layer is about 0.01 to 2 μm, preferably about 0.1 to 0.7 μm.

Keramik-ZusammensetzungenCeramic compositions

In den obigen Beispielen sind zwar Yttriumoxid-Cerdioxid und Gadoliniumoxid-Zirkoniumdioxid beschrieben, aber bei der vorliegenden Erfindung kann praktisch jede beliebige Keramik-Zusammensetzung verwendet werden, die durch physikalische Dampfabscheidung aufgetragen werden kann. Andere geeignete Keramiken, einschließlich Gadoliniumoxid-Zirkoniumdioxid, sind in EP-A-0 992 603 und EP-A-0 848 077 offenbart.Although yttria-ceria and gadolinia-zirconia are described in the above examples, practically any ceramic composition which can be applied by physical vapor deposition can be used in the present invention. Other suitable ceramics, including gadolinia-zirconia, are disclosed in U.S. Pat EP-A-0 992 603 and EP-A-0 848 077 disclosed.

Die Keramik sollte mit dem Bindungsauftrag und/oder dem Substrat, den anderen in der Beschichtung vorhandenen Keramik-Zusammensetzungen, und der Arbeitsumgebung verträglich sein. Die Keramikbeschichtung kann eine einzige Keramik-Zusammensetzung (wie oben) oder verschiedene Keramik-Zusammensetzungen, die als abwechselnde Schichten aufgetragen werden, aufweisen. Das kritische Merkmal ist, dass die Beschichtung so behandelt wird, dass sie abwech selnde Zone I/Zone II (oder Zone III)-Schichtstrukturen erzeugt. Bevorzugt sind die benutzten Keramiken jene, die eine intrinsisch niedrige Masse-Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dazu gehören stabilisiertes Zirkoniumdioxid, Cerdioxid mit Seltenerd-Zusätzen und Pyrochloroxid-Verbindungen.The Ceramics should work with the bond coat and / or substrate, the other ceramic compositions present in the coating, and the working environment be. The ceramic coating can be a single ceramic composition (as above) or various ceramic compositions known as alternating layers are applied. The critical The characteristic is that the coating is treated in such a way that it alternates Zone I / Zone II (or Zone III) layer structures generated. Prefers The ceramics used are those that are intrinsically low Mass Thermal Conductivity exhibit. This includes stabilized zirconia, ceria with rare earth additives and Pyrochloroxid connections.

Die Anordnung der Keramikbeschichtung kann ziemlich abgewandelt werden. Die breiteste Beschreibung ist, dass die Beschichtung aus mehreren Schichten besteht, von denen mindestens eine so abgeschieden wird, dass sie eine Struktur vom Zone I-Typ hat. Bevorzugt wird die Zone I-Struktur danach wärmebehandelt, um Porosität zu bilden oder zu erhöhen. Die Schicht der Zone I-Struktur hat auch bevorzugt unmittelbar an sie angrenzend Schichten mit Zone II (und/oder Zone III)-Struktur, um für eine mechanische Stütze und Begrenzung zu sorgen. Bevorzugt gibt es eine Mehrzahl von abgeschiedenen Schichten des Zone I-Typs, die von Schichten mit Strukturen vom Zone II/Zone III-Typ getrennt werden.The Arrangement of the ceramic coating can be quite varied. The broadest description is that the coating consists of several layers of which at least one is deposited so that they has a structure of zone I type. The zone I structure is preferred heat-treated afterwards, to porosity to form or to increase. The layer of the zone I structure also preferably has an immediate effect they adjacent layers with zone II (and / or zone III) structure, around for a mechanical support and limit. Preferably, there are a plurality of deposited layers of zone I type, that of layers with structures of zone II / zone III type to be separated.

Wir glauben, dass Feinporosität am wirkungsvollsten beim Verringern des Wärmeflusses ist. Dies muss gegen den Gedanken abgewogen werden, dass kleine Poren weniger stabil sind, da sie dazu neigen, bei hohen Temperaturen zu schrumpfen und sich zu verschließen oder auszuheilen. Porenverschluss ist kein signifikantes Problem, wenn die Verwendungstemperatur niedriger ist als die Poren-Schrumpfungstemperatur.We believe that fine porosity is most effective in reducing the heat flow. This must be against Be weighed the thought that small pores less stable are because they tend to shrink at high temperatures and to shut up or heal. Pore closure is not a significant problem when the use temperature is lower than the pore shrinkage temperature.

Unter manchen Umständen können andere Schichten eingebaut werden, ohne die Vorteile der Wärmeisolierung der Erfindung zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann eine Außenschicht gewählt werden, um für bestimmte Eigenschaften zu sorgen, die für bestimmte Anwendungen erwünscht sind, wie Wärme-Abstrahlvermögen, Härte, Abriebfestigkeit, Beständigkeit gegen Umgebungsangriff (Oxidation, Sulfidation, Nitridation, etc.) und/oder Beständigkeit gegen Diffusion von schädlichen Umgebungsspezies wie Sauerstoff, die die darunter liegende Beschichtungsschicht und/oder den Bindungsauftrag und/oder das Substrat ungünstig beeinflussen würden. Beispielsweise könnte Aluminiumoxid als eine Außenschicht erwünscht sein, weil es relativ hart ist und gegen die Diffusion von Sauerstoff beständig ist.Under some circumstances can other layers are incorporated without the benefits of thermal insulation to affect the invention. For example can be an outer layer chosen be in order for to provide certain properties that are desirable for certain applications, such as heat radiating ability, hardness, abrasion resistance, durability against environmental attack (oxidation, sulfidation, nitridation, etc.) and / or resistance to Diffusion of harmful Environmental species such as oxygen, the underlying coating layer and / or adversely affect the binding application and / or the substrate would. For example, could Alumina as an outer layer he wishes because it is relatively hard and against the diffusion of oxygen resistant is.

Für Dichtungsanwendungen treffen viele derselben Überlegungen zu. Die Gesamtbeschichtungsdicke ist im Allgemeinen größer, bis zu etwa 2,54 mm (100 mil), bevorzugt 1,27 mm (50 mil). Die Einzelschichtdicke und das Porenvolumen und die Porengröße werden optimiert, um die für eine Abreibbarkeit erforderlichen mechanischen Eigenschaften bereitzustellen.For sealing applications meet many of the same considerations to. Overall coating thickness is generally greater until about 2.54 mm (100 mils), preferably 1.27 mm (50 mils). The single layer thickness and the pore volume and pore size are optimized to the for one Abreibbarkeit required mechanical properties provide.

Claims (14)

Verfahren zum Auftragen einer geschichteten Keramikbeschichtung auf ein Substrat, umfassend: Dampfabscheiden einer Mehrzahl von Keramikschichten aus mindestens einer Verdampfungsgut-Quelle und auf das Substrat, und Wechseln der Temperatur während des Dampfabscheidens, um abwechselnde Schichten aus Keramikmaterial zu bilden, wobei mindestens eine Schicht bei einer ersten Temperatur abgeschieden wird und mindestens eine andere Schicht bei einer zweiten Temperatur, die von der ersten Temperatur verschieden ist, abgeschieden wird, wobei mindestens eine der Schichten eine Zone I-Mikrostruktur mit einer relativ weniger dichten Struktur hat, und mindestens eine der Schichten eine Zone II-Mikrostruktur, die eine dichtere Struktur hat als die Zone I-Struktur, hat, wobei die Schicht mit Zone II-Mikrostruktur bei einer höheren Temperatur als die Schicht mit der Zone I-Mikrostruktur abgeschieden wird, und dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Wechselns der Temperatur durch periodisches Anbringen einer wärmehemmenden Abschirmung zwischen der Verdampfungsgut-Quelle und dem Substrat, um den Wärmefluss zu verringern, durchgeführt wird.A method of applying a layered ceramic coating to a substrate, comprising: vapor depositing a plurality of ceramic layers from at least one source of evaporant material and onto the substrate, and changing the temperature during vapor deposition to form alternating layers of ceramic material, wherein at least one layer is at one depositing at least one other layer at a second temperature other than the first temperature, at least one of the layers having a Zone I microstructure having a relatively less dense structure, and at least one of the layers forming a zone II microstructure, which has a denser structure than the zone I structure, wherein the layer with zone II microstructure is deposited at a higher temperature than the layer with the zone I microstructure, and characterized in that the step of Changing the temperature by periodic A a heat-insulating shield between the evaporation material source and the substrate in order to reduce the heat flow, is performed. Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem eine einzige Verdampfungsgut-Quelle verwendet wird.A method as claimed in claim 1, wherein a single source of evaporative material is used. Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht, bei dem die einzige Verdampfungsgut-Quelle aus einem stabilisierten Cerdioxid zusammengesetzt ist.A method as claimed in claim 2, wherein the only source of evaporation material from a stabilized ceria is composed. Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht, bei dem die einzige Verdampfungsgut-Quelle aus einem stabilisierten Zirkoniumdioxid zusammengesetzt ist.A method as claimed in claim 2, wherein the sole source of evaporation material is one of stabilized zirconia is composed. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, bei dem das Substrat eine Oberflächenschicht, die hauptsächlich Aluminiumoxid aufweist, hat.A method as in any preceding claim in which the substrate has a surface layer, mainly alumina has, has. Verfahren wie in Anspruch 5 beansprucht, bei dem ein Bindungsauftrag, der ausgewählt wird aus der Gruppe, die aus MCrAlY und Aluminid-Schichten und Kombinationen davon besteht, auf das Substrat aufgetragen wird und die Aluminiumoxid-Schicht auf der Oberfläche des Bindungsauftrags abgeschieden wird.A method as claimed in claim 5, wherein a binding job that is selected is made up of the group consisting of MCrAlY and aluminide layers and combinations of which is applied to the substrate and the alumina layer on the surface the binding job is deposited. Verfahren wie in Anspruch 5 beansprucht, bei dem das Substrat aus einem Material, das zur Bildung einer anhaftenden Aluminiumoxid-Schicht in der Lage ist, besteht, und das außerdem den Schritt des Bildens einer Aluminiumoxid-Schicht auf dem Substrat aufweist.A method as claimed in claim 5, wherein The substrate is made of a material that forms an adhesive Aluminum oxide layer is able to exist, and that also the Step of forming an alumina layer on the substrate having. Verfahren wie in Anspruch 5, 6 oder 7 beansprucht, bei dem die Aluminiumoxid-Schicht eine Dicke von 0,1 bis 2,0 μm hat.A method as claimed in claim 5, 6 or 7, wherein the alumina layer has a thickness of 0.1 to 2.0 μm. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, bei dem die Gesamtdicke der Schichten von 0,05 bis 5.000 μm beträgt.A method as in any preceding claim claimed in that the total thickness of the layers from 0.05 to 5,000 μm is. Verfahren wie in Anspruch 1, bei dem der Schritt des Dampfabscheidens ein Verdampfen von mindestens zwei Keramikmaterial-Quellen umfasst.A method as in claim 1, wherein the step vapor deposition, vaporizing at least two sources of ceramic material includes. Verfahren wie in Anspruch 10, bei dem die Keramikmaterial-Quellen unterschiedliche Zusammensetzungen haben.A method as in claim 10, wherein the ceramic material sources have different compositions. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem das Substrat ein Gasturbinenmaschinen-Bauteil definiert.Method as in any preceding claim, wherein the substrate defines a gas turbine engine component. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch, bei dem das Substrat aus einem Superlegierungsmaterial besteht.Method as in any preceding claim, wherein the substrate is made of a superalloy material. Verfahren wie in irgendeinem vorangehenden Anspruch beansprucht, außerdem aufweisend den Schritt des Wärmebehandelns der Schicht, um in einer oder mehreren der Schichten mit einer Zone I-Mikrostruktur Porosität zu erzeugen.A method as in any preceding claim claimed, as well comprising the step of heat treating the layer to be in one or more of the layers with a zone I microstructure porosity to create.
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